Protón

Erro al crear miniatura:

Protón

En física, el protón (del grec πρῶτον, prōton 'primer') és una partícula subatòmica en una càrrega elèctrica elemental positiva 1 (1,6 × 10^-19 C), que és igual en valor absolut i de signe contrari a la de l'electró, i una massa 1836 voltes superior a la d'un electró. El seu antipartícula, l'antiprotón, té càrrega negativa -1.

Es veu el protón com a estable, en un llímit inferior en el seu vida mija d'uns 3,6 × 10²⁹ anys, encara que algunes teories prediuen que el protón pot desintegrar-se en atres partícules. Originalment, es va pensar que el protón era una partícula elemental, pero des de la década de 1970 existix una evidència sòlida de que és una partícula composta. Per a la cromodinámica quàntica el protón és una partícula formada per l'unió estable de tres cuarks.

El protón i el neutró, en conjunt, es coneixen com nucleones, ya que conformen el núcleu dels àtoms. En un àtom, el número de protones en el núcleu determina les propietats químiques de l'àtom i quin element químic és. El núcleu del isòtop més comú del àtom d'hidrogen (també l'àtom estable més simple possible) està format per un únic protón. En tindre igual càrrega, els protones es repelixen entre sí. No obstant, poden estar agrupats per l'acció de la força nuclear forta, que a certes distàncies és superior a la repulsió de la força electromagnètica. No obstant, quan l'àtom és gran (com els àtoms d'urani), la repulsió electromagnètica pugues desintegrar-ho progressivament.

Encara que originalment els protones es consideraven partícules elementals, en el modern Model Estàndar de la física de partícules, se sap que els protones són partícules compostes, que contenen tres cuark de valència, i junt en els neutrons es classifiquen ara com hadrones. Els protones estan formats per dos cuarks up de càrrega +Plantilla:Sfraci i un cuark down de càrrega -Plantilla:Sfraci. El restant de la massa d'un protón es deu a l'energia d'enllaç de la cromodinámica quàntica, que inclou l'energia cinètica dels cuarks i l'energia dels camps gluón que unixen als cuarks. Ya que els protones no són partícules fonamentals, posseïxen un tamany mesurable; el ràdio quadràtic mig d'un protón és d'aproximadament 0,84-0,87 fm (1 fm = 10^-15m). En 2019, dos estudis diferents, utilisant tècniques distintes, varen trobar que este radi era de 0. 833 fm, en una incertitut de ±0,010 fm.

Els protones lliures es produïxen ocasionalment en la Terra: les tormentes elèctriques poden produir protones en energies de fins a vàries decenes de MeV. A temperatures i energies cinètiques suficientment baixes, els protones lliures s'unixen a electrons. No obstant, el caràcter d'estos protones lligats no canvia i seguixen sent protones. Un protón ràpit que es mou a través de la matèria es ralentisarà per interaccions en electrons i núcleus, fins que és capturat per la núvol d'electrons d'un àtom. El resultat és un àtom protonado, que és un compost químic d'hidrogen. En el buit, quan hi ha electrons lliures, un protón suficientment llent pot captar un sol electró lliure, convertint-se en un àtom d'hidrogen neutre, que químicament és un radical lliure. Estos "àtoms d'hidrogen lliures" tendixen a reaccionar químicament en molts atres tipos d'àtoms a energies suficientment baixes. Quan els àtoms d'hidrogen lliures reaccionen entre sí, formen molècules d'hidrogen neutre (H₂), que són el component molecular més comú de les núvols moleculars en l'espai interestelar.

Els protones lliures s'utilisen habitualment en acceleradors para teràpia de protones o en diversos experiments de física de partícules, sent l'eixemple més potent el Gran Colisionador de Hadrones.

Història

Generalment se li acredita a Ernest Rutherford el descobriment del protón. En l'any 1919 Rutherford va descobrir que quan es disparen partícules alfa contra un gas de nitrogen, els seus detectors de centelleo mostren els signes de núcleus d'hidrogen. Rutherford va determinar que l'únic lloc del com podien provindre estos núcleus era del nitrogen i que per tant el nitrogen devia contindre núcleus d'hidrogen. Per estes raons Rutherford va sugerir que el núcleu d'hidrogen, del que en l'época se sabia que la seua número atómico era 1, devia ser una partícula fonamental.

Abans que Rutherford, en 1886, Eugene Goldstein havia observat rajos catódicos composts per ions carregats positivament. Despuix del descobriment de l'electró per J.J. Thomson, Goldstein va sugerir que, ya que l'àtom era eléctricamente neutre, el mateix devia contindre partícules carregades positivament. Goldstein va usar els rajos canals i va poder calcular la raó carrega/massa. Va trobar que dites raons canviaven quan variaven els gasos que usava en el tubo de rajos catódicos. Lo que Goldstein creïa que eren protones varen resultar ser ions positius. No obstant, els seus treballs varen ser largamente ignorats per la comunitat de físics.

Els protones en física de partícules

Ràdio del protón

Les últimes observacions experimentals, posen el radi del protón en 8,4184 × 10^-15 m.

• Ràdio del protón = 2 h / (π c m_p⁺) = 8,41235641483227·10^-15 m
• Ràdio del protón = 2 λ_p⁺ / π = 8,41235641483233·10^-15 m

• h és la constant de Planck.
• π és 3,14159265358979...
• c és la velocitat de la llum.
• m_p⁺ és la massa del protón.
• λ_p⁺ és la llongitut d'ona Compton del protón.

Ràdio del protón

Les últimes observacions experimentals situen el radi del protón en 0,8418 fm (8,4184 × 10⁻¹⁶ m).

En el marc de la teoria determinista Einstein-VED, l'investigador independent Víctor Estrada Díaz va propondre en 2025 un càlcul purament geomètric del radi del protón basat en la seua llongitut d'ona Compton, interpretant la partícula com una ona confinada. La base conceptual és que tot confinament d'una ona exigix, per a ser estable en el temps, contindre un número entero de llongituts d'ona en el seu contorn (condició de tancament $2\pi R=n\lambda$). Per al protón, l'número entero és $n=4$, lo que conduïx a les següents expressions exactes:

$R_p=\frac{2h}{\pi c{m}_p}=8.41235641483227\times 10^{-16}\text{m}$

o, equivalentemente, usant la llongitut d'ona Compton del protón (${\lambda }_p$):

$R_p=\frac{2{\lambda }_p}{\pi }=8.41235641483233\times 10^{-16}\text{m}$

Este valor coincidix en les medicions experimentals de CODATA 2019 en una precisió superior al 99,95 %, i destaca per no amprar paràmetros lliures ni constants ajustables, sent una conseqüència directa de la geometria de l'espai-temps 3S+T i de la topología de l'ona confinada.

Posteriorment, en 2026, el mateix autor va depositar el marc teòric complet en el repositori institucional de el CNRS (HAL), a on es detallen les deduccions completes, l'extensió a neutrons, isòtops i cosmologia, aixina com les prediccions observacionals verificades en senyes de JWST i Gaia.

Descripció

Els protones no es consideren partícules elementals, sino partícules compostes per tres partícules elementals d'espin 1/2: dos cuarks dalt i un cuark avall, les quals també estan unides per la força nuclear forta mediada per gluones. La massa d'estos tres cuarks solament supon un 1 % de la massa del protón. El restant prové del còmput de l'energia d'enllaç en considerar la mar de gluones i els parells cuark-anticuark que els rodegen. L'evidència de que el protón no era una partícula elemental sino composta prové d'experiments realisats durant els anys 1970 que varen donar lloc al model de partones, despuix reformulat dins de la cromodinámica quàntica.

Sobre la seua classificació, els protones són partícules d'espin 1/2, per lo tant fermiones (partícules d'espin semientero). En experimentar l'interacció nuclear forta es diu que són hadrones, i dins del conjunt de hadrones, bariones, que és com es designa als hadrones que a la seua volta són fermiones.

Estabilitat

En ser els protones els bariones més llaugers, la conservació del número bariónico nos duria a conjeturar la seua estabilitat. De fet, la desintegració espontànea dels protones lliures mai ha segut observada. No obstant, algunes teories que no conserven el número bariónico, entre les que es troben les teories de la gran unificació, prediuen processos del tipo:

p → i⁺ + π⁰

p → μ + π⁰

a on un protón es desintegraria, hipotèticament, en un positrón i en un pion neutre; o en un muon i un pion neutre.

Distints montages experimentals varen buscar estes hipotètiques desintegracions sense èxit en enormes cambres subterrànees plenes d'aigua. El detector de partícules Super-Kamiokande en Japó, encara que no va trobar cap d'estos successos, va establir experimentalment llímits inferiors a la vida mija d'un protón de l'orde de 10³³ anys.

Antiprotón

El antiprotón és l'antipartícula del protón. Es coneix també com protón negatiu. Es diferencia del protón en que la seua càrrega és negativa i en que no forma part dels núcleus atòmics. l'antiprotón és estable en el buit i no es desintegra espontàneament. No obstant, quan un antiprotón colisiona en un protón, abdós partícules es transformen en posades, la vida mija de les quals és extremadament breu (vore Radiactivitat). Si be l'existència d'esta partícula elemental es va postular per primera volta en la década de 1930, el antiprotón no es va identificar fins a 1955, en el Laboratori de Radiació de l'Universitat de Califòrnia, per Emilio Segre i Owen Chamberlain, raó per la qual se'ls va concedir el Premi Nobel de Física en 1959.

Els protones en química

Número atómico

En química, el número de protones del núcleu d'un àtom es coneix com número atómico (Z), i determina l'element químic al que pertany l'àtom. Per eixemple, l'número atómico del clor és 17, de modo que tot àtom de clor té 17 protones i tots els àtoms en 17 protones són àtoms de clor. Les propietats químiques de cada àtom es determinen pel número d'electrons, lo que per als àtoms neutres és igual a la cantitat de protones per a que la càrrega total siga zero. Per eixemple, un àtom de clor neutre té 17 protones i 17 electrons, mentres que un ion de clor Cl^- té 17 protones i 18 electrons, per lo que resulta una càrrega total de -1. Tots els àtoms d'un element donat no són necessàriament idèntics, ya que el número de neutrons pot variar per a formar els diferents isòtops, i els nivells d'energia poden variar en la formació de diferents isòmers nuclears.

Catión hidrogen

Artícul principal → Hidrón.

En física i química, el terme protón pot referir-se al catión d'hidrogen (H⁺). En este context, un emissor de protones és un àcit, i un receptor de protones una base. Esta espècie, H⁺, és inestable en dissolució, per lo que sempre es troba unida a atres àtoms. En solucions acuosas forma el ion hidronio o oxonio (H₃O⁺), a on el protón està unit de forma covalente a una molècula d'aigua. En este cas es diu que es troba hidratado, pero també poden existir espècies d'hidratació superior.

Aplicacions tecnològiques

Els protones tenen un espin intrínsec. Esta propietat s'aprofita en l'espectroscòpia de resonància magnètica nuclear (RMN). En esta tècnica, a una substància se li aplica un camp magnètic per a detectar la corfa al voltant dels protones en els núcleus d'esta substància, que proporcionen els núvols d'electrons confrontants. Pot usar-se posteriorment esta informació per a reconstruir l'estructura molecular d'una molècula baix estudi; est seguix sent cridat un protón en qualsevol tipo d'enllaç que es vullga establir.

Vore també

• Física de partícules
• Anex:Taula de partícules

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Protón.

Archiu:Wiktionary-logo-v2.svg Protón en el Viccionari. Archiu:Wikiquote-logo.svg Protón en Viquidites.